Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 9 Параметрическое возбуждение спиновых волн в сильноанизотропных одноосных ферритах й А.Г. Гуревич, А.В. Назаров, В.В. Петров, О.А. Чивилева Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Научно-исследовательский институт ФДоменФ, 196084 Санкт-Петербург, Россия (Поступила в Редакцию 15 января 1999 г.) Приведены результаты измерения порогов параметрического возбуждения спиновых волн в феррите с легкой плоскостью анизотропии Ba2Zn2Fe12O22 при частоте накачки 36 GHz в диапазоне температур 5-350 K при различных углах между внешним постоянным магнитным полем и осью анизотропии, когда накачка является, в общем случае, наклонной. Найдены зависимости параметра диссипации спиновых волн от волнового числа, температуры и угла между направлением распространения спиновых волн и осью анизотропии. Приведены также результаты измерения параметров ферромагнитного резонанса в указанном феррите и феррите с легкой осью анизотропии Ba(Fe0.95Sc0.05)12O19. Сделаны некоторые заключения о процессах релаксации в сильноанизотропных гексагональных ферритах.

В сильноанизотропных гексаферритах (в достаточно а пороговая амплитуда переменного магнитного поля h хорошем приближении их можно рассматривать как при He0 < Hc, когда k = 90, одноосные) наименьшие величины ширины линии однородного ферромагнитного резонанса H0 измеряются Hk hthr = min. (3) в настоящее время десятками эрстед. В то же время M + |2HA| эти вещества представляют значительный интерес, в том числе и с прикладной точки зрения Ч как перспективные Здесь Hk Ч параметр диссипации (ширина ремагнитные материалы для коротковолновой части СВЧ зонансной кривой) спиновых волн, M = 4M0, диапазона, причем наиболее важным их параметром HA = K1/M0 Ч поле анизотропии (K1 Ч константа является именно малая величина H0. Для ее достианизотропии).

жения необходимо понимание особенностей процессов Втеории [2] было сделано предположение, что намагрелаксации в таких веществах.

ниченность M0 параллельна He0 и, следовательно, переДля экспериментального исследования процессов ременное магнитное поле, параллельное He0, параллельно лаксации в ферритах широко используется параметритакже и M0. Для ферритов с легкой осью анизотропии ческое возбуждение спиновых волн, в особенности с это предположение выполняется (см., например, [3]), продольной накачкой (переменным магнитным полем, если He0 направлено по легкой оси или при поле, параллельным постоянной намагниченности) [1]. Теория превышающем поле анизотропии, лежит в трудной плостакого возбуждения спиновых волн в одноосных феррикости. Для ферритов с легкой плоскостью анизотропии тах была разработана в [2]. Согласно этой теории, в оно выполняется, если He0 лежит в легкой плоскости случае процессов первого порядка (когда частота возбуили при поле, превышающем поле анизотропии, наждаемых спиновых k = /2, где Ч частота накачки) правлено по трудной оси; однако в последнем случае при внешнем постоянном магнитном поле He0, меньшем направление поля очень критично. При произвольном чем критическое поле Hc, возбуждаются спиновые волны направлении внешнего постоянного поля He0 постоянная с волновым числом намагниченность не параллельна He0, и тогда даже при переменном поле h, параллельном He0, накачка является k = (Hc - He0)/, (1) наклонной Ч параметрическое возбуждение происходит распространяющиеся под углом k = 90 к направлепод совместным воздействием переменного поля, паралнию постоянной намагниченности M0 ( Ч постоянная лельного M0, и магнонов однородной процессии. Такое неоднородного обмена). При He0 > Hc возбуждаются возбуждение было исследовано [4,5] для изотропного и (в рамках теории [2]) волны с k 0 и <90.

слабоанизотропного кубического ферритов.

Критическое поле Hc для одноосных ферритов имеет Для ферритов с сильной анизотропией наклонная навид [2] качка представляет особенно большой интерес, так как 1 чисто продольная накачка при произвольном направлеHc = - 4M0 + |2HA| нии постоянного поля для них очень трудно осуществи ма. Параметрическое возбуждение спиновых волн при 1 наклонной накачке в сильноанизотропных одноосных + + 4M0 + |2HA|, (2) ферритах было теоретически рассмотрено в [6].

2 Параметрическое возбуждение спиновых волн в сильноанизотропных одноосных ферритах Здесь a 1 iNWk = (Ak + a + k) 2exp(ik) sin 2k + Bk exp(2ik) - a + (Ak + a - k) Bk exp(2ik) - a a iN 2exp(-ik) sin 2k - cos h + Bk exp(2ik) - a M exp(-ik) sin 22 - exp(ik) sin 2k Рис. 1. Оси координат и углы.

i a + (01 - 02)N23, (5) k Ч частота спиновых волн (равная /2 для процессов Параметрическое возбуждение спиновых волн испольпервого порядка) зовалось в ряде работ (см., например, [7,8]) для экспериментального исследования процессов релаксации в k =(Ak + a)2 - Bk exp(2ik) - a 2, (6) одноосных ферритах с легкой плоскостью анизотропии, однако только в случае внешнего постоянного поля, а выражения для величин, входящих в (5) и (6), имеют лежащего в легкой плоскости, когда накачка была чисто следующий вид:

продольной.

M M M Основная цель данной работы Ч экспериментальное Ak = H - + k2 + sin2 k, Bk = sin2 k, 3 2 исследование процессов релаксации в сильноанизотропных одноосных ферритах путем параметрического возM a a H = He0 cos(H - 0), a = (N22 - 2N23), буждения спиновых волн при наклонной накачке.

M a a = N22, 1. Параметрическое возбуждение sin h a+1 1-a 01,02 = exp(ih)- exp(-ih), спиновых волн в одноосных a a 2 2a ферритах: результаты расчета hy 1 + a a = 1 - a, 1 = H + a, tg h =.

hx a Приведем некоторые результаты расчетов, выполненЗдесь k и k Ч полярный и азимутальный углы ных на основе теории [6], которые будут использованы волнового вектора спиновых волн, h и h Ч углы далее при интерпретации экспериментальных данных.

вектора h, а H Ч угол между внешним полем He0 и Рассматривается процесс параметрического возбуждеосью анизотропии.

ния спиновых волн первого порядка в сфере из неИз закона дисперсии спиновых волн (6) и соотношепроводящего одноосного ферромагнетика с легкой осью ния k = /2 можно получить границы областей, He(K1 > 0) или с легкой плоскостью (K1 < 0) анизотропии и угла H, в которых возможно параметрическое возбупри произвольном направлении внешнего постоянного ждение первого порядка. Нижние (по частоте) границы магнитного поля He0 по отношению к оси анизотропии и областей, He0 и H следуют из условия произвольном угле между He0 и переменным магнитным полем h с частотой и линейной поляризацией (рис. 1).

k(He0, H, k = 0, k = 0) =/2. (7) Направление постоянной намагниченности M0 определяется условием равновесия, а пороговая амплитуда пеНа рис. 2 показаны эти границы для двух кристаллов, ременного поля hthr находится путем решения уравнения исследуемых в данной работе. Из рисунка видно, что ЛандауЦЛифшица с учетом эффективного поля анизотро- для кристалла с легкой осью анизотропии при частоте пии. В результате получается следующее выражение: 36 GHz процесс первого порядка возможен только в узкой области углов H вблизи трудной оси, а для кристалла с легкой плоскостью анизотропии Ч при всех kHk hthr = min. (4) углах H.

M|Wk| Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 1654 А.Г. Гуревич, А.В. Назаров, В.В. Петров, О.А. Чивилева Значения hthr и параметры возбуждаемых спиновых волн должны быть найдены путем минимизации выражения (4). Величина Hk при этом не может рассматриваться как постоянная; она, конечно, зависит от k и от направления вектора k относительно M0 (т. е. от углов k и k) и относительно осей анизотропии. Эти зависимости apriori неизвестны. Они могут быть получены из эксперимента Ч измерения hthr как функции He0 и H.

Однако при обработке результатов этих экспериментов должны быть использованы результаты минимизации.

Задача, таким образом, становится самосогласованной и весьма сложной.

В качестве первого приближения была проведена минимизация при постоянном Hk, т. е. минимизировалось отношение hthr/Hk по двум из параметров k, k и k, cвязанным условием (7).

Рис. 3. Расчетные зависимости: a Ч пороговой амплитуды переменного магнитного поля в единицах параметра диссипации спиновых волн и b Ч волнового числа возбуждаемых спиновых волн в Zn2Y от величины и направления внешнего постоянного магнитного поля при = 0. Цифры у кривых Ч значения угла H в градусах.

При каждом значении He0 и H углы k и k варьировались с шагом 0.5, находились минимальные величины hthr и соответствующие им значения k, k и k. На рис. 3 приведены результаты такой минимизации для кристалла с легкой плоскостью анизотропии в случае, когда угол между переменным полем h и внешним постоянным полем He0 (рис. 1) составляет 0. Именно этот случай ФквазипродольнойФ накачки осуществлялся в эксперименте.

2. Образцы Экспериментально исследовались монокристаллы гексаферрита Zn2Ba2Fe12O22 (Zn2Y ) с легкой плоскостью анизотропии и гексаферрита Ba(Fe0.95Sc0.05)12O19 с легкой осью анизотропии (добавка скандия была произРис. 2. Спектры спиновых волн с k = 0 и k = 0 в ведена для уменьшения константы анизотропии). Все одноосных ферритах с легкой осью (a) и легкой плоскостью кристаллы были легированы небольшим количеством (b) анизотропии. Величины 2HA и M0 приняты такими как для Mn ( 0.25 wt.%) с целью уменьшения количества ионов кристаллов, исследованных экспериментально в данной работе (см. таблицу). Цифры у кривых Ч значения угла H в градусах. Fe2+, которые ведут к росту магнитных потерь [9].

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Параметрическое возбуждение спиновых волн в сильноанизотропных одноосных ферритах Параметры исследованных ферритов ния на магнетроне во время импульса и в то же время не учитывать погрешности, вызванной конечным временем Состав 4M0, G 2HA, kOe TC, C нарастания параметрических спиновых волн [13].

Ba2Zn2Fe12O22 2500 -8.6 СВЧ мощность через вентиль 4, прецизионный поляBa(Fe0.95Sc0.05)12O19 4500 11 ризационный аттенюатор 6 и циркулятор 8 (с развязкой 40 dB) подавалась на вход криостата 10 или Ч П р и м е ч а н и е. Кристаллы содержали добавку Mn ( 0.25 wt.%).

Значения 4M0 и 2HA Ч при комнатной температуре. при измерении падающей мощности Ч на термисторный измеритель мощности 11. Измерительная ячейка криостата представляла собой прямоугольный резонатор Кристаллы выращивались методом кристаллизации из TE102 13, связанный с волноводом при помощи отверраствора в расплаве [10]. Использовался бор-бариевый стия. Регулировка связи осуществлялась поршнем 15, растворитель. Затравочные кристаллики располагались который при измерениях перемещался извне криостата.

на вращающемся держателе, что позволяло увеличить Резонатор не перестраивался, настройка производилась скорость роста и получать довольно большие (до 20 mm) изменением частоты магнетрона. Конструкция криостата и хорошо ограненные кристаллы. Расплав нагревался позволяла поворачивать резонатор с образцом на до температуры, несколько превышающей температуру относительно направления постоянного магнитного поля насыщения, и выдерживался при этой температуре в и поворачивать образец вокруг оси криостата извне во течение 10 часов, после чего температура снижалась по время измерений. Отраженная от резонатора с образцом заданной программе при градиенте 1-3 deg / cm.

мощность через циркулятор 8 и поляризационный аттеИзготовление сферических образцов производилось нюатор 16 поступала на кристаллический детектор 17.

следующим образом [10]. Кристаллы нарезались на Огибающая импульса наблюдалась на осциллографе 18.

кубические заготовки, из которых путем обкатки меИзмерение частоты производилось: грубо Ч резонансжду двумя абразивными инструментами изготовлялись ным волномером 9 и точно Ч измерителем частоты сферы с диаметрами 0.5-0.8 mm. Они шлифовались с (Ч5-13) 19. Постоянное магнитное поле создавалось использованием абразивного инструмента с последоваэлектромагнитом 20 (с диаметром полюсных наконечтельно уменьшающимся размером зерна и затем полиников 80 mm и зазором 20 mm), который питался от ровались при помощи абразивных порошков с размером стабилизированного источника. Измерение магнитного зерна, последовательно уменьшающимся от 14 до 1 m.

поля производилось при помощи пленочного датчика Ориентирование сфер Zn2Y производилось рентгеновским методом. Образцы Ba(Fe0.95Sc0.05)12O19, которые, согласно рентгеновским данным, были блочными с углами между осями блоков 0.5, ориентировались магнитным методом [11]. Затем образцы переклеивались на держатели Ч кварцевые трубочки или стерженьки из окиси бериллия, ось которых (ось x на рис. 1) была перпендикулярна оси анизотропии и являлась осью вращения образцов при измерениях. Точность ориентирования (после переклейки), а также точность установки угла поворота образцов были не хуже 1.

Параметры образцов были измерены СВЧ методами (см. разделы 3 и 4). Значения их приведены в таблице.

3. Методика измерений Схема экспериментальной установки показана на рис. 4. В качестве генератора 3 использовался магнетрон,1 который перестраивался в диапазоне 36 GHz2% и мог давать 200 W в непрерывном (при соответствую- Рис. 4. Схема измерительной установки. 1 Ч задающий щем охлаждении) или импульсном режиме. На магне- импульсный генератор, 2 Ч модулятор, 3 Ч магнетрон, 4 Ч вентиль, 5 Ч аттенюатор, 6 Ч поляризационный аттрон подавались с накопительной емкости модулятора тенюатор, 7 Ч направленный ответвитель, 8 Ч циркуляотрицательные импульсы напряжения 3.5 kV с частотой тор, 9 Ч волномер, 10 Чкриостат, 11 Ч измеритель мощповторения 40 Hz и длительностью 20 s. При такой длиности, 12 Ч измерительная ячейка (показана на врезке), тельности можно было пренебречь изменением напряже13 Ч резонатор, 14 Чобразец, 15 Ч поршень, 16 Чполя1 ризационный аттенюатор, 17 Ч детектор, 18 Ч осциллограф, Магнетроны были разработаны А.В. Атласманом, изготовлены по 19 Ч измеритель частоты, 20 Ч электромагнит, 21 Ч датчик заказу Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе и впервые использованы в работе [12]. Холла, 22 Чсосуд Дьюара, 23 и 24 Чпечки, 25 Ч термопара.

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 1656 А.Г. Гуревич, А.В. Назаров, В.В. Петров, О.А. Чивилева Холла 21, укрепленного на полюсном наконечнике. Гра- температуры и изменяется при замене образца, поэтому дуировка его была проведена с использованием ферро- она контролировалась при каждом измерении hthr. Ремагнитного резонанса в ориентированной сфере ЖИГ. зультирующая погрешность измерения hthr, как показала Температура в пределах 5-350 K устанавливалась в оценка, составляла 10%.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам